JILA -forskare har, för första gången, isolerade grupper med några atomer och mätte exakt deras interaktioner med flera partiklar inom en atomklocka. Framsteget kommer att hjälpa forskare att kontrollera samverkande kvantämne, som förväntas öka prestandan för atomur, många andra typer av sensorer, och kvantinformationssystem.

Forskningen beskrivs i en Natur papper publicerat tidigt online 31. oktober. JILA drivs gemensamt av National Institute of Standards and Technology (NIST) och University of Colorado Boulder.

NIST -forskare har förutsagt "många kropps" fysik och dess fördelar i åratal, men det nya JILA -verket ger det första kvantitativa beviset på exakt vad som händer när man packar ihop några fermioner - atomer som inte kan vara i samma kvanttillstånd och plats samtidigt.

"Vi försöker förstå uppkomsten av komplexitet när flera partiklar - atomer här - interagerar med varandra, "NIST och JILA Fellow Jun Ye sa." Även om vi kanske förstår reglerna perfekt för hur två atomer interagerar, när flera atomer samlas finns det alltid överraskningar. Vi vill förstå överraskningarna kvantitativt. "

Dagens bästa verktyg för att mäta mängder som tid och frekvens är baserade på kontroll av enskilda kvantpartiklar. Detta är fallet även när ensembler med tusentals atomer används i en atomur. Dessa mätningar närmar sig den så kallade standardkvantgränsen-en "vägg" som förhindrar ytterligare förbättringar med oberoende partiklar.

Att utnyttja interaktioner med många partiklar kan skjuta tillbaka väggen eller till och med bryta igenom den, eftersom ett konstruerat kvanttillstånd kan undertrycka atomkollisioner och skydda kvanttillstånd mot störningar, eller buller. Dessutom, atomer i sådana system kan ordnas för att avbryta varandras kvantbrus så att sensorer skulle bli bättre när fler atomer tillsattes, lovande betydande steg i precision och datakapacitet.

I den nya forskningen, JILA-teamet använde sin tredimensionerade strontiumgitterklocka], som erbjuder exakt atomkontroll. De skapade matriser med mellan en och fem atomer per gittercell, och använde sedan en laser för att ställa klockan "tickande, "eller växla med en specifik frekvens mellan två energinivåer i atomerna. JILA:s nya bildteknik användes för att mäta atomernas kvanttillstånd.

Forskarna observerade oväntade resultat när tre eller flera atomer var tillsammans i en cell. Resultaten var olinjära, eller oförutsett baserat på tidigare erfarenhet, ett kännetecken för multi-partikelinteraktioner. Forskarna kombinerade sina mätningar med teoretiska förutsägelser av NIST-kollegorna Ana Maria Rey och Paul Julienne för att dra slutsatsen att interaktioner med flera partiklar inträffade.

Specifikt, klockans frekvens förändrades på oväntade sätt när tre eller flera atomer befann sig på ett gallerverk. Skiftet skiljer sig från vad man kan förvänta sig av att summera olika par atomer. Till exempel, fem atomer per cell orsakade en förskjutning på 20 procent jämfört med vad som normalt skulle förväntas.

"När du får tre atomer per cell, reglerna ändras, "Sa ni. Detta beror på att atomernas nukleära snurr och elektroniska konfigurationer spelar ihop för att bestämma det totala kvanttillståndet, och atomerna kan alla interagera samtidigt istället för parvis, han sa.

Flerpartikeleffekter uppträdde också i trånga gitterceller i form av en ovanlig, snabb förfallsprocess. Två atomer per triad bildade en molekyl och en atom förblev lös, men alla hade tillräckligt med energi för att slippa fällan. Däremot, en enda atom kommer sannolikt att förbli i en cell under mycket längre tid, Sa ni.

"Vad detta betyder är, vi kan se till att det bara finns en atom per cell i vår atomklocka, "Ni sa." Genom att förstå dessa processer kan vi ta reda på en bättre väg för förbättrade klockor, eftersom partiklar oundvikligen kommer att interagera om vi packar tillräckligt med dem i närheten för att förbättra signalstyrkan. "

JILA-teamet fann också att packning av tre eller flera atomer i en cell kan resultera i långlivad, starkt intrasslade stater, vilket betyder att atomernas kvantegenskaper var länkade på ett stabilt sätt. Denna enkla metod för att trassla ihop flera atomer kan vara en användbar resurs för kvantinformationsbehandling.